CH615532A5

CH615532A5 -

Info

Publication number: CH615532A5
Application number: CH173676A
Authority: CH
Inventors: Charles William Hull; Thomas Wilson Whitehead; Bruce Noble Colby
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1980-01-31
Also published as: SE7601586L; JPS51119288A; FR2301090B1; DE2604249A1; CH616275A5; FR2301090A1; CA1052913A; IT1055252B; US4016421A; GB1509697A

Description

Die Erfindung betrifft eine lonenstrahlquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahis variabler Energie, die u. a. mehrere Elektroden zur Strahlbeeinflussung entlang des Ionenstrahlwe-ges aufweist. The invention relates to an ion beam source for generating an ion beam of variable energy, which u. a. has a plurality of electrodes for influencing the beam along the ion beam path.

Als Analysegeräte werden heute sowohl Gaschromatographen als auch Massenspektrometer eingesetzt. Es ist auch seit langem bekannt, dass ein leistungsfähiges Analysegerät durch Kombination dieser beiden Instrumente entsteht. Gaschromatographen arbeiten jedoch im allgemeinen bei atmosphärischem Druck, während Massenspektrometer bei einem stark reduzierten Druck betrieben werden. Um diesen Verhältnissen Rechnung zu tragen, muss eine Verbindungseinrichtung vorgesehen werden, die den Druck des den Gaschromatographen verlassenden Probengases vor seinem Eintritt in das Massenspektrometer reduziert. Da ferner Gaschromatographen so arbeiten, dass eine geringe Menge an Probengas unter Verwendung einer grossen Menge an Trägergas eine Säule durchströmt, muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Konzentration des Probengases gegenüber dem Trägergas anzureichern, bevor die Gasmischung ein Massenspektrometer erreicht. Findet diese Anreicherung nicht statt, so wird die Empfindlichkeit des Massenspektrometers herabgesetzt. Both gas chromatographs and mass spectrometers are used today as analyzers. It has also long been known that a powerful analyzer can be created by combining these two instruments. However, gas chromatographs generally operate at atmospheric pressure, while mass spectrometers operate at a greatly reduced pressure. In order to take these conditions into account, a connecting device must be provided which reduces the pressure of the sample gas leaving the gas chromatograph before it enters the mass spectrometer. Furthermore, since gas chromatographs operate such that a small amount of sample gas flows through a column using a large amount of carrier gas, a way must be found to enrich the concentration of the sample gas with respect to the carrier gas before the gas mixture reaches a mass spectrometer. If this enrichment does not take place, the sensitivity of the mass spectrometer is reduced.

Ein Gaschromatograph trennt die verschiedenen Komponenten des Probengases, so dass die Zusammensetzung des den Chromatografen verlassenden Gases sich mit der Zeit ändert. Infolge der kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung des Gasstromes, der das Massenspektrometer erreicht, muss ein jedes Massenspektrometer, das in Verbindung mit einem Gaschromatographen arbeiten soll, so ausgebildet sein, dass es das Massenspektrum schnell durchläuft, so dass die Änderung der Zusammensetzung des den Chromatographen verlassenden Gases messtechnisch erfasst wird. Für Massenspektrometer, die mit einem magnetischen Sektor arbeiten, kann die Massenuntersuchung entweder durchgeführt werden, indem das Magnetfeld verändert wird oder indem man die Energie des Ionenstrahls verändert. Eine Veränderung des Magnetfeldes ist jedoch ein vergleichsweise langsamer Prozess, so dass eine Veränderung der Energie des Ionenstrahls vorteilhafter ist. A gas chromatograph separates the various components of the sample gas so that the composition of the gas leaving the chromatograph changes over time. As a result of the continuous change in the composition of the gas stream reaching the mass spectrometer, each mass spectrometer that is to work in conjunction with a gas chromatograph must be designed so that it passes through the mass spectrum quickly, so that the composition of the gas leaving the chromatograph changes is recorded metrologically. For mass spectrometers that work with a magnetic sector, the mass examination can be carried out either by changing the magnetic field or by changing the energy of the ion beam. A change in the magnetic field is, however, a comparatively slow process, so that a change in the energy of the ion beam is more advantageous.

Die bekannten magnetischen Massenspektrometer stellen massive Konstruktionen dar, bei denen der gesamte Ionenstrahl einschliesslich der lonenstrahlquelle in dem Magnetfeld untergebracht ist. Die grosse Menge an Metall, die erforderlich ist, um ein solches Magnetfeld zu erzeugen, ist unwirtschaftlich, so dass in den letzten Jahren die Abmessungen des Magneten so weit verringert wurden, dass nur ein kleines Segment des Ionenstrahlweges tatsächlich zwischen den Polen des Magneten hindurchführt. Mindestens für solche Fälle, in denen die lonenstrahlquelle ausserhalb der analysierenden Magnetpole liegt, wurde keine zufriedenstellende Lösung zur Erzeugung eines Ionenstrahls durch Veränderung des Potentials der lonenstrahlquelle gefunden. Man kann solche Quellen erzeugen, wenn die Energie des Strahls nur über einen kleinen Energiebereich verändert wird, wenn jedoch die Energie des Strahls über einen grossen Energiebereich verändert werden muss, um einen grossen Bereich des Massenspektrums zu erfassen, konnte man bisher keine zufriedenstellende Fokussierung des Ionenstrahls erhalten. Eine Fokussierung ist zwar bei einer bestimmten Energie möglich, jedoch ändert sich der Fokus des Ionenstrahls mit der Energie, so dass der Ionenstrahl evtl. sogar ausgelöscht wird. The known magnetic mass spectrometers represent massive constructions in which the entire ion beam including the ion beam source is accommodated in the magnetic field. The large amount of metal required to generate such a magnetic field is uneconomical, so that in recent years the dimensions of the magnet have been reduced to such an extent that only a small segment of the ion beam path actually passes between the poles of the magnet. At least for those cases in which the ion beam source lies outside the analyzing magnetic poles, no satisfactory solution for generating an ion beam by changing the potential of the ion beam source was found. Such sources can be generated if the energy of the beam is changed only over a small energy range, but if the energy of the beam has to be changed over a large energy range in order to cover a large area of the mass spectrum, it has so far not been possible to focus the ion beam satisfactorily receive. Focusing is possible at a certain energy, but the focus of the ion beam changes with the energy, so that the ion beam may even be extinguished.

Ausserdem treten in einem analytischen System, bei dem ein Gaschromatograph mit einem Massenspektrometer kombiniert wird, eine Reihe zusätzlicher Probleme auf, wenn eine Ionenquelle variabler Energie verwendet wird. Da Vorkehrungen getroffen werden müssen, um den Druck in dem Zwischenbereich zwischen dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer von etwa atmosphärischem Druck im Chromatographen bis auf etwa 0,001 Torr in der Ionenquelle zu verringern, muss der Druck im Zwischenbereich eine Zone durchlaufen, die ideal für Gasentladungen geeignet ist. Hierin liegt eine der Schwierigkeiten, denn diese Zone reduzierten Druckes erzeugt, wenn sie mit der hohen Energie der Ionenquelle verbunden wird, eine Gasentladung in der Verbindungsleitung. Aus naheliegenden Gründen darf dies nicht geschehen. In addition, in an analytical system that combines a gas chromatograph with a mass spectrometer, a number of additional problems arise when using a variable energy ion source. Since precautions must be taken to reduce the pressure in the intermediate area between the gas chromatograph and the mass spectrometer from approximately atmospheric pressure in the chromatograph to approximately 0.001 Torr in the ion source, the pressure in the intermediate area must pass through a zone which is ideally suited for gas discharges . This is one of the difficulties, because this zone of reduced pressure, when connected to the high energy of the ion source, creates a gas discharge in the connecting line. For obvious reasons, this must not happen.

Diese und verschiedene andere Nachteile von Ionenstrahl-quellen gemäss dem Stand der Technik in Massenspektrome-tern - vor allem in Massenspektrometern in Kombination mit Gaschromatographieanlagen - werden durch die erfindungs-gemässe lonenstrahlquelle überwunden. These and various other disadvantages of ion beam sources according to the prior art in mass spectrometers - especially in mass spectrometers in combination with gas chromatography systems - are overcome by the ion beam source according to the invention.

Die erfindungsgemässe lonenstrahlquelle ist im vorangehenden Patentanspruch 1 definiert. The ion beam source according to the invention is defined in the preceding patent claim 1.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine fünfte Elektrode vorhanden, die als Extraktionselektrode bezeichnet wird. Diese Elektrode besitzt einen Schlitz und befindet sich in der Ionenquelle zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode. Bei dieser Ausführungsform wird In a preferred embodiment of the invention there is a fifth electrode, which is referred to as an extraction electrode. This electrode has a slot and is located in the ion source between the first and second alignment electrodes. In this embodiment

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

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das Potential der Extraktionselektrode gegenüber dem Potential der Austrittselektrode verändert. Die erste Ausrichtelektrode wird gegenüber der Extraktionselektrode auf einem konstanten positiven Potential gehalten, und die zweite Austrittselektrode wird auf einem Potential gehalten, das negativer ist als 5 dasjenige der Extraktionselektrode, jedoch proportional zu diesem. the potential of the extraction electrode changes compared to the potential of the exit electrode. The first alignment electrode is kept at a constant positive potential with respect to the extraction electrode and the second exit electrode is kept at a potential which is more negative than that of the extraction electrode but is proportional to it.

Bei einer noch günstigeren Ausführungsform enthält die lonenstrahlquelle ein Gehäuse mit einem Hohlraum, in dem die Abstosselektrode und die erste Ausrichtelektrode angeordnet 10 sind. Das Gehäuse wird gegenüber der ersten Ausrichtelektrode auf positivem Potential gehalten.. In an even more favorable embodiment, the ion beam source contains a housing with a cavity in which the repulsion electrode and the first alignment electrode are arranged 10. The housing is kept at a positive potential compared to the first alignment electrode.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungs-gemässen lonenstrahlquelle und einer ihrer Einsätze unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. 15 An exemplary embodiment of the ion beam source according to the invention and one of its inserts is explained in more detail below with reference to the figures. 15

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Analysegerätes, das einen Gaschromatographen, ein Massenspektrometer sowie eine den Gaschromatographen mit dem Massenspektrometer verbindende Verbindungseinrichtung enthält. 1 shows a schematic diagram of an analysis device which contains a gas chromatograph, a mass spectrometer and a connecting device connecting the gas chromatograph to the mass spectrometer.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Trenn- und 20 Eicheinheit, die in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Analysegerät verwendet werden kann. FIG. 2 shows a schematic diagram of a separation and calibration unit which can be used in connection with the analysis device shown in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine lonenstrahlquelle nach der Erfindung als Teil in einer Verbindungseinrichtung, die einen Gaschromatographen mit dem Massenspektrometer 25 verbindet, einschliesslich einer Längsschnittdarstellung des Massenspektrometers selbst. FIG. 3 shows a longitudinal section through an ion beam source according to the invention as part in a connecting device which connects a gas chromatograph to the mass spectrometer 25, including a longitudinal sectional view of the mass spectrometer itself.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung und der erfindungsgemäs-sen Ionenstrahlenquelle zur Schaffung eines Weges für das 30 Probengas in die lonenstrahlquelle. FIG. 4 shows a longitudinal section through a connection between the connecting device and the ion beam source according to the invention to create a path for the sample gas into the ion beam source.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt der lonenstrahlquelle nach der Erfindung, von oben gesehen. 5 shows a schematic longitudinal section of the ion beam source according to the invention, seen from above.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt der lonenstrahlquelle nach Fig. 5, von der Seite gesehen. 35 FIG. 6 shows a longitudinal section of the ion beam source according to FIG. 5, seen from the side. 35

Fig. 7 zeigt eine detailliertere Längsschnittsdarstellung eines Teiles der lonenstrahlquelle nach Fig. 5, von oben gesehen. FIG. 7 shows a more detailed longitudinal sectional illustration of a part of the ion beam source according to FIG. 5, seen from above.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung, die zur Programmierung der Massenuntersuchungen des in Fig. 3 dar- 40 gestellten Gerätes verwendet werden kann. FIG. 8 shows a block diagram of a device that can be used for programming the mass examinations of the device shown in FIG. 3.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Systems, mit dem der Betrieb des in Fig. 3 dargestellten Gerätes in geregelter Form verändert werden kann. FIG. 9 shows a block diagram of an electronic system with which the operation of the device shown in FIG. 3 can be changed in a regulated manner.

Fig. 10 zeigt eine Kurve des Ausgangssignals des Analy- 45 segerätes nach Fig. 3, wobei sowohl das Massenspektrum eines fiktiven Gases als auch eine Massenanzeigekurve dargestellt sind, und FIG. 10 shows a curve of the output signal of the analyzer according to FIG. 3, both the mass spectrum of a fictitious gas and a mass display curve being shown, and

Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Steuer- und Überwachungstafel, die in Verbindung mit dem in Fig. 3 darge- 50 stellten Analysator verwendet werden kann. 11 shows a schematic view of a control and monitoring panel that can be used in conjunction with the analyzer shown in FIG. 3.

Die Fig. 1,2 und 7 bis 11 betreffen also nicht die eigentliche erfindungsgemässe lonenstrahlquelle, sie werden hier nur zur Veranschaulichung derselben und zur Illustrierung eines ihrer Einsätze gegeben. 55 1, 2 and 7 to 11 do not relate to the actual ion beam source according to the invention, they are given here only to illustrate the same and to illustrate one of their inserts. 55

Der Gaschromatograph 11 ist also über eine Verbindungseinrichtung 17 mit einem Massenspektrometer 16 verbunden. Das Massenspektrometer 16 enthält eine lonenstrahlquelle 18, deren Leistung einstellbar ist, einen magnetischen Sektor 19 und einen Detektor 20. Die Verbindungseinrichtung 17 enthält 6o eine elektrisch nicht leitende Verbindungsleitung 21 mit einer Drosselstelle 22 und einen Probengasanreicherer 23. Die Verbindungsleitung 21 ist normalerweise ein Glasrohr, das an einem Ende mit dem Gasauslass 14 des Chromatografen 11 und am anderen Ende mit der lonenstrahlquelle 18 des Massenspek- 65 trometers 16 verbunden ist. Die Drossel 22 ist im allgemeinen eine Spule aus Kapillarrohr, die so ausgebildet ist, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer ein Druckabfall erzeugt wird. The gas chromatograph 11 is thus connected to a mass spectrometer 16 via a connecting device 17. The mass spectrometer 16 contains an ion beam source 18, the output of which is adjustable, a magnetic sector 19 and a detector 20. The connecting device 17 contains 6o an electrically non-conductive connecting line 21 with a throttle point 22 and a sample gas enrichment 23. The connecting line 21 is normally a glass tube, which is connected at one end to the gas outlet 14 of the chromatograph 11 and at the other end to the ion beam source 18 of the mass spectrometer 16. The throttle 22 is generally a coil made of capillary tube, which is designed such that a pressure drop is generated in the connecting line between the gas chromatograph and the mass spectrometer.

Probengasanreicherer 23 besteht darin, die Konzentration der Probe in dem in die lonenstrahlquelle eintretenden Gas gegenüber dem Träger anzureichern. Derartige Gasanreiche-rer sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Sample gas enrichment 23 consists in enriching the concentration of the sample in the gas entering the ion beam source relative to the carrier. Such gas enrichers are known in different designs.

Die generell mit 18 bezeichnete lonenstrahlquelle ist in den Fig. 5,6 und 7 ausführlicher dargestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse 48, das einen Hohlraum 49 sowie mehrere Elektroden enthält. Unter den Elektroden befindet sich eine Abstosselektrode 50 und eine erste Ausrichtelektrode zur Bildung von Ionen geringer Energie mit einem ersten Ausrichtschlitz 51. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die erste Ausrichtelektrode zwei Platten 52,53, die zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich den ersten Ausrichtschlitz 51 bilden. Die erste Ausrichtelektrode und die Abstosselektrode sind so zueinander angeordnet, dass zwischen ihnen der Ionenbildungsbereich R gebildet wird. The ion beam source, generally designated 18, is shown in greater detail in FIGS. 5, 6 and 7. It consists of a housing 48 which contains a cavity 49 and a plurality of electrodes. A repulsion electrode 50 and a first alignment electrode for forming low-energy ions with a first alignment slot 51 are located below the electrodes. In the exemplary embodiment shown, the first alignment electrode contains two plates 52, 53 which are aligned with one another and form the first alignment slot 51 between them . The first alignment electrode and the repulsion electrode are arranged with respect to one another such that the ion formation region R is formed between them.

Die Ionenstrahlungsquelle enthält ferner eine Extraktionselektrode 54 mit einem Extraktionsschlitz 55, eine zweite Ausrichtelektrode zur Bildung von Ionen hoher Energie mit einem zweiten Ausrichtschlitz 56 und eine Austrittselektrode 57 mit einem Austrittsschlitz 58. Ebenso wie die erste Ausrichtelektrode enthält die zweite Ausrichtelektrode bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Platten 59 und 60, zwischen denen sich der Ausrichtschlitz 56 befindet. Die Extraktionselektrode 54 ist jedoch eine einzige Platte. The ion radiation source further includes an extraction electrode 54 with an extraction slot 55, a second alignment electrode for forming high energy ions with a second alignment slot 56 and an exit electrode 57 with an exit slot 58. Like the first alignment electrode, the second alignment electrode in the illustrated embodiment contains two plates 59 and 60, between which the alignment slot 56 is located. However, the extraction electrode 54 is a single plate.

Diese fünf Elektroden sind hintereinander angeordnet, wobei die Abstosselektrode und die erste Ausrichtelektrode in dem Hohlraum des Gehäuses 48 untergebracht sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Elektroden planparallel, jedoch können auch andere Arten von Ionenstrahl-optiken benutzt werden. Ferner kann die lonenstrahlquelle auch ohne die Extraktionselektrode betrieben werden. Das Gehäuse und die Elektroden sind sämtlich aus geeigneten Metallen hergestellt, beispielsweise aus nicht magnetischem Edelstahl oder aus «Nichrome V». These five electrodes are arranged one behind the other, the repulsion electrode and the first alignment electrode being accommodated in the cavity of the housing 48. In the exemplary embodiment shown, all electrodes are plane-parallel, but other types of ion beam optics can also be used. Furthermore, the ion beam source can also be operated without the extraction electrode. The housing and the electrodes are all made of suitable metals, for example non-magnetic stainless steel or «Nichrome V».

Die lonenstrahlquelle und sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Austrittselektrode sind an einem Haltestab 61 befestigt, der an einem Drehknopf 62 angebracht ist, welcher vakuumdicht mit dem Behälter 45 verbunden ist. Wie Fig. 3 zeigt besitzt der Drehknopf 62 ebenfalls mehrere Stifte 63, die über Drähte 64 mit den Elektroden der lonenstrahlquelle verbunden sind. Der Austrittsschlitz 57 wird unter Verwendung eines Stützblockes 65 und eines Kernes 66, dessen Zweck nachfolgend erläutert wird, separat von dem Gehäuse 45 getragen. Zusammen mit dem Gehäuse wird er auf Erdpotential gehalten. The ion beam source and all electrodes with the exception of the exit electrode are fastened to a holding rod 61 which is attached to a rotary knob 62 which is connected to the container 45 in a vacuum-tight manner. As FIG. 3 shows, the rotary knob 62 likewise has a plurality of pins 63 which are connected to the electrodes of the ion beam source via wires 64. The exit slot 57 is carried separately from the housing 45 using a support block 65 and a core 66, the purpose of which will be explained below. Together with the housing, it is kept at earth potential.

Die lonenstrahlquelle besitzt ferner einen Einlass 151 zum Einführen von Gas in dem Ionenbildungsraum. Dieser Einlass führt letztlich in eine Leitung 67 des Gehäuses 48. Da der gröss-te Teil der Verbindungsleitung für das Probengas aus Glas besteht, müssen in dem Bereich 68 einige Metall/Glas-Übergänge vorhanden sein. The ion beam source also has an inlet 151 for introducing gas into the ion formation space. This inlet ultimately leads into a line 67 of the housing 48. Since the largest part of the connecting line for the sample gas consists of glass, some metal / glass transitions must be present in the area 68.

Schliesslich enthält die Ionenquelle einige Einrichtungen zur Bildung eines Elektronenstrahls in dem Ionenbildungsbereich. Zu diesem Zweck können die in der lonenoptik bekannten Strahlerzeugungseinrichtungen eingesetzt werden. Eine Ionenkanone würde sich eignen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Bildung des Elektronenstrahls jedoch lediglich eine Elektrode 69 verwandt. Das Gehäuse 48 besitzt eine Elektronenstrahlöffnung, die bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 dadurch gebildet ist, dass in dem Gehäuse 48 eine Öffnung 70 vorgesehen ist, die mit einer Platte 71, in der sich die Elektronenöffnung 72 befindet, bedeckt ist. Der Elektronenstrahl 73 wird dadurch gebildet, dass die Elektrode 69 an ein gegenüber dem Gehäuse 48 negatives Potential gelegt wird. Dieser Strahl endet in einer durch eine Öffnung 74 und eine Platte 75 in dem Gehäuse 48 gebildeten Senke. Schliesslich ist eine Kappe 76 oberhalb der Elektrode 69 angeordnet. Bei der Finally, the ion source contains some means for forming an electron beam in the ion formation area. The beam generating devices known in ion optics can be used for this purpose. An ion gun would be suitable. In the illustrated embodiment, however, only one electrode 69 is used to form the electron beam. The housing 48 has an electron beam opening, which in the exemplary embodiment according to FIG. 6 is formed in that an opening 70 is provided in the housing 48 and is covered with a plate 71 in which the electron opening 72 is located. The electron beam 73 is formed by placing the electrode 69 at a potential that is negative with respect to the housing 48. This beam ends in a depression formed by an opening 74 and a plate 75 in the housing 48. Finally, a cap 76 is arranged above the electrode 69. In the

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4 4th

dargestellten Konstruktion reicht ein Potential von 70 V zwischen der Elektrode 69 und dem Gehäuse 48 zur Erzeugung des gewünschten Elektronenstrahls aus. shown construction, a potential of 70 V between the electrode 69 and the housing 48 is sufficient to generate the desired electron beam.

Es empfiehlt sich, eine Einrichtung vorzusehen, die in dem Ionenbildungsbereich parallel zur Längsachse des Elektronenstrahls ein Magnetfeld erzeugt. Hierdurch wird der Elektronenstrahl begrenzt und stabilisiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Magnetfeld durch zwei Permanentmagnete 80 und 81 erzeugt, deren Pole von dem Kern 66 in bezug auf das Gehäuse 48 gehalten werden, und das gewünschte Magnetfeld in dem Ionenbildungsbereich erzeugen. Zur Erzielung des gewünschten Effektes reicht ein Feld von 500 Gauss aus. It is advisable to provide a device which generates a magnetic field in the ion formation area parallel to the longitudinal axis of the electron beam. This limits and stabilizes the electron beam. In the illustrated embodiment, this magnetic field is generated by two permanent magnets 80 and 81, the poles of which are held by the core 66 with respect to the housing 48, and generate the desired magnetic field in the ion formation region. A field of 500 gauss is sufficient to achieve the desired effect.

Bei der lonenstrahlquelle der vorliegenden Erfindung ist die Leistung veränderbar. Im folgenden wird erörtert, in welcher Weise die Leistungsveränderung zur Erzielung eines Ionenstrahles variabler Energie erfolgt, jedoch genügt es, im gegenwärtigen Augenblick festzustellen, dass ein derartiger Ionenstrahl mit variabler Energie erzeugt wird, und dass das Potential der Elektroden von einem niedrigen Wert zu einem hohen Wert variiert werden muss. Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung führt eine Veränderung der Energie von einem geringen Wert von 540 eV zu einem hohen Wert von 12 000 eV zu einer Verschiebung der mit einem Massenspektrometer nachweisbaren Massen von 999 Atommasseneinheiten (AMU) bis zu 43 AMU. The power is variable in the ion beam source of the present invention. The following will discuss how the power change to achieve a variable energy ion beam occurs, but it is sufficient to determine at the present moment that such a variable energy ion beam is being generated and that the potential of the electrodes is from a low value to a high one Value must be varied. In the device shown in FIG. 3, a change in energy from a low value of 540 eV to a high value of 12,000 eV leads to a shift in the masses detectable with a mass spectrometer from 999 atomic mass units (AMU) up to 43 AMU.

Der Einsatz eines Magnetfeldes in Verbindung mit der lonenstrahlquelle schafft eine ideale Umgebung für gefangene Ladungen in dem Bereich um die Magnetpole. Die hohe Energie der lonenstrahlquelle verursacht eine Entladung dieser gefangenen Ladungen nach Erde. Diese ungewollten und schädlichen Entladungen können eliminiert werden, wenn die Ionenquelle mit elektrischen Leitern versehen ist, die in den Bereich der gefangenen Ladungen hineinragen und die gefangenen Ladungen nach Masse ableiten. Es wurde beobachtet, dass die gefangenen Ladungen einen ringförmigen Bereich um jeden der Pole herum bilden, und dass die aus leitfähiger Folie bestehenden konischen Kappen 82 und 83, die in bezug auf die Polstücke 80 in der in Fig. 6 dargestellten Weise angeordnet sind, die Wirkung haben, dass sie den Bereich der gefangenen Ladungen abschneiden und, wenn sie geerdet sind, die Ladung nach Erde ableiten, bevor sich ein entladungsfähiges Potential aufgebaut hat. The use of a magnetic field in connection with the ion beam source creates an ideal environment for trapped charges in the area around the magnetic poles. The high energy of the ion beam source causes these trapped charges to discharge to earth. These unwanted and harmful discharges can be eliminated if the ion source is provided with electrical conductors which protrude into the area of the trapped charges and conduct the trapped charges to ground. It has been observed that the trapped charges form an annular area around each of the poles, and that the tapered caps 82 and 83 made of conductive foil and arranged with respect to the pole pieces 80 in the manner shown in FIG The effect is that they cut off the area of the trapped charges and, if they are grounded, discharge the charge to earth before a discharge-capable potential has built up.

Ferner ist es vorteilhaft, die Temperatur der lonenstrahlquelle sorgfältig zu regulieren. Zu diesem Zweck ist an dem Gehäuse 48 eine Heizvorrichtung 84 vorgesehen. It is also advantageous to carefully regulate the temperature of the ion beam source. For this purpose, a heating device 84 is provided on the housing 48.

Eine detailliertere Darstellung der lonenstrahlquelle findet sich in Fig. 7. In dieser Figur sind das Gehäuse, Elektroden, Schlitze und Einlassleitung sämtlich mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den anderen Darstellungen, jedoch sind der Elektrodenanschluss und die Elektrodenabstützung detaillierter dargestellt. Sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Eintrittselektrode werden durch mehrere Stützstangen von dem Gehäuse getragen. Über diese Stützstangen erfolgt auch die elektrische Verbindung zu den Elektroden. Wie Fig. 7 zeigt, ist die Abstosselektrode eine flache Platte 50, die an einer über eine Teillänge mit Schraubgewinde versehenen Stange 90 befestigt ist, welche durch einen Kanal 91 des Gehäuses 48 hindurchragt. Die Stange 90 ist mit dem Abstossblech 50 ver-schweisst, jedoch können auch andere Verbindungstechniken angewandt werden. Die Stange 90 schafft die elektrische Verbindung zum Abstossblech 50 und ist durch zwei Isolierscheiben 92 und 93, die aus einem beliebigen Isoliermaterial, z. B. Saphir, bestehen können, isoliert. Diese beiden Scheiben sitzen in ringförmigen Ausnehmungen des Kanals 91. Gegen die Scheibe 93 drückt eine Metallscheibe 94, die durch eine Mutter gesichert ist. Die Mutter 95 ist auf das Gewindeende der Schraube aufgeschraubt. A more detailed representation of the ion beam source can be found in FIG. 7. In this figure, the housing, electrodes, slots and inlet line are all provided with the same reference numerals as in the other representations, but the electrode connection and the electrode support are shown in more detail. All electrodes, with the exception of the entry electrode, are carried by the housing by means of several support rods. The electrical connection to the electrodes also takes place via these support rods. As shown in FIG. 7, the repelling electrode is a flat plate 50 which is fastened to a rod 90 which is provided with a screw thread over a partial length and which projects through a channel 91 of the housing 48. The rod 90 is welded to the kick plate 50, but other joining techniques can also be used. The rod 90 creates the electrical connection to the kick plate 50 and is by two insulating washers 92 and 93, which are made of any insulating material, for. B. sapphire, may exist, isolated. These two disks are seated in annular recesses in the channel 91. A metal disk 94 presses against the disk 93 and is secured by a nut. The nut 95 is screwed onto the threaded end of the screw.

Jede der die erste Ausrichtelektrode bildenden Metallplatten 52 und 93 wird in ähnlicher Weise durch Stangen 100 und Each of the metal plates 52 and 93 forming the first alignment electrode is similarly supported by bars 100 and

101 gehalten. Für eine feste elektrische Verbindung zwischen diesen Stangen und den jeweiligen Platten sorgen jeweils Schweissverbindungen. Die Stange 100 führt durch den Kanal 101 held. Welded connections ensure a permanent electrical connection between these rods and the respective plates. The rod 100 leads through the channel

102 im Gehäuse 48 und die Stange 101 führt durch den Kanal 102 in the housing 48 and the rod 101 leads through the channel

103 im Gehäuse 48. Wie bei der Abstosselektrode ist jede der Platten der ersten Ausrichtelektrode von dem Gehäuse 48 durch zwei Isolierscheiben 104,105 bzw. 106,107 isoliert, die in ringförmigen Ausnehmungen des Gehäuses 48 liegen. Die Stangen werden durch Unterlegscheiben 108 und 109 und Muttern 103 in the housing 48. As with the repelling electrode, each of the plates of the first alignment electrode is insulated from the housing 48 by two insulating disks 104, 105 and 106, 107, respectively, which lie in annular recesses in the housing 48. The rods are secured by washers 108 and 109 and nuts

110 und 111, die jeweils auf ihre Gewindeenden aufgeschraubt sind, relativ zum Gehäuse 48 in Stellung gehalten. Bei Verwendung unterschiedlich versetzter Scheiben oder vergrösserter ringförmiger Ausnehmungen können die Platten 52 und 53 relativ zueinander bewegt werden. Hierdurch erreicht man eine gewisse Freiheit bei der Fokussierung des Ionenstrahls. 110 and 111, each screwed onto their threaded ends, held in position relative to the housing 48. When using differently offset disks or enlarged annular recesses, the plates 52 and 53 can be moved relative to one another. This gives a certain freedom in the focusing of the ion beam.

In ähnlicher Weise sind sowohl die Extraktionselektrode 54 als auch die Platten 59 und 60 der zweiten Ausrichtelektrode mittels Stangen 120 und 121 am Gehäuse 48 befestigt. Im einzelnen wird die Extraktionselektrode 54 von Stangen 120 und 121 gehalten, wobei der elektrische Kontakt aber nur über die Stange 120 hergestellt wird. Die Platte 60 der zweiten Ausrichtelektrode wird ebenfalls von der Stange 120, mit der sie auch elektrisch verbunden ist, gehalten. Die Platte 59 der zweiten Ausrichtelektrode wird von der Stange 121 gehalten, ist jedoch elektrisch mit einer zweiten, nicht dargestellten Stange verbunden, die sich hinter der Stange 121 befindet und die in gleicher Weise mit der Platte verbunden ist, wie die Stange 120 mit der Platte 60. Die Platte 59 ist direkt an die Stange 121 ange-schweisst, die durch einen Kanal 122 der Extraktionselektrode 54 und einen Kanal 123 des Gehäuses 48 hindurchragt. Zum Abstandhalten zwischen der Platte 59 und der Elektrode 54 sowie zur Isolierung der Stange 121 gegenüber der Elektrode 54 dienen vier elektrisch isolierende Scheiben 124,125,126 bzw. 127. Um diese Anordnung an dem Gehäuse 48 zu befestigen, ist eine Metallscheibe 128 und eine Mutter 129 vorgesehen, die auf das Gewindeende der Stange 121 aufgeschraubt ist. Die Platte 60 wird von der Stange 121 getragen, ist jedoch elektrisch von ihr durch Isolierscheiben 130 und 131 getrennt. Zur Bewirkung der Abstützung, ohne die Platte 60 an der Stange 120 anschweissen zu müssen, besitzt die Stange 120 eine T-för-mige Kappe, die an der Scheibe 130 angreift. Die Stange 120 führt durch den Kanal 137 in Platte 60 und den Kanal 138 im Gehäuse 48 hindurch. Die Isolierscheiben 131 und 132 halten cjen Abstand zwischen der Platte 60 und der Elektrode 54, und die Stange 120 ist direkt mit der Elektrode 54 verbunden. Schliesslich ist die Stange 120 vom Gehäuse 48 durch Isolierscheiben 133 und 134 isoliert. Die Unterlegscheibe 135 und die Mutter 136, die auf das Gewindeende der Stange 120 aufgeschraubt ist, vervollständigen den Befestigungsmechanismus. Hinter den in dieser Figur im Schnitt dargestellten Stangen befindet sich ein komplementärer Stangensatz, der ebenfalls zur Schaffung von mechanischem Halt und elektrischer Verbindung für die Elektroden dient. Die Platten 52,53,59 und 60 werden von zwei Stangen getragen, die Extraktionselektrode 54 wird von vier Stangen getragen, und die Reflektionselek-trode 50 wird von zwei Stangen getragen. Der elektrische Anschluss der Elektroden kann über diese Stangen oder durch mit den Elektroden verbundene separate Drähte erfolgen. Similarly, both the extraction electrode 54 and the plates 59 and 60 of the second alignment electrode are attached to the housing 48 by means of rods 120 and 121. Specifically, the extraction electrode 54 is held by rods 120 and 121, but the electrical contact is only made via the rod 120. The plate 60 of the second alignment electrode is also held by the rod 120, to which it is also electrically connected. The plate 59 of the second alignment electrode is held by the rod 121, but is electrically connected to a second rod, not shown, which is located behind the rod 121 and which is connected to the plate in the same way as the rod 120 to the plate 60. The plate 59 is welded directly to the rod 121, which projects through a channel 122 of the extraction electrode 54 and a channel 123 of the housing 48. Four electrically insulating disks 124, 125, 126 and 127 are used to keep distance between the plate 59 and the electrode 54 and to isolate the rod 121 from the electrode 54. In order to attach this arrangement to the housing 48, a metal disk 128 and a nut 129 are provided. which is screwed onto the threaded end of the rod 121. The plate 60 is carried by the rod 121, but is electrically separated from it by insulating washers 130 and 131. In order to effect the support without having to weld the plate 60 to the rod 120, the rod 120 has a T-shaped cap which engages the disc 130. The rod 120 extends through the channel 137 in the plate 60 and the channel 138 in the housing 48. The insulating washers 131 and 132 keep the distance between the plate 60 and the electrode 54, and the rod 120 is connected directly to the electrode 54. Finally, the rod 120 is isolated from the housing 48 by insulating washers 133 and 134. The washer 135 and the nut 136 screwed onto the threaded end of the rod 120 complete the fastening mechanism. Behind the rods shown in section in this figure is a complementary rod set, which is also used to create mechanical support and electrical connection for the electrodes. The plates 52, 53, 59 and 60 are supported by two rods, the extraction electrode 54 is supported by four rods, and the reflection electrode 50 is supported by two rods. The electrodes can be electrically connected via these rods or by means of separate wires connected to the electrodes.

Im Gegensatz zu den Elektrodenabständen und den Schütz-breiten sind die Abmessungen der lonenstrahlquelle nicht kritisch. Der Abstand dieser Elektroden und die Schlitzbreite sind in Tabelle I angegeben, wobei «a» den Abstand zwischen der Reflektionselektrode und dem Elektronenstrahl, «b» den Abstand zwischen der ersten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, «c» den Abstand zwischen der Extraktionselektrode und dem Elektronenstrahl, «d» den Abstand zwischen In contrast to the electrode distances and the contactor widths, the dimensions of the ion beam source are not critical. The distance between these electrodes and the slot width are given in Table I, where “a” is the distance between the reflection electrode and the electron beam, “b” is the distance between the first alignment electrode and the electron beam, and “c” is the distance between the extraction electrode and the electron beam , «D» the distance between

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

615 532 615 532

der zweiten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, und «e» den Abstand zwischen der Eintrittselektrode und dem Elektronenstrahl darstellt. the second alignment electrode and the electron beam, and «e» represents the distance between the entry electrode and the electron beam.

Tabelle I Table I

Abstand (mm) Distance (mm)

Schlitz slot

Breite (mm) width (mm)

a 1,27 a 1.27

erste Ausrichtelektrode first alignment electrode

1,27 1.27

b 1,78 b 1.78

Extraktorelektrode Extractor electrode

1,27 1.27

c 6,1 c 6.1

zweite Ausrichtelektrode v second alignment electrode v

1,27 1.27

d 9,1 d 9.1

Austrittselektrode Outlet electrode

0,76 0.76

e 20,0 e 20.0

An dem Gehäuse 48 ist mit einer Gewindebefestigung 150 ein kugelförmiges Anschlussstück 151 montiert. Durch dieses Anschlussstück und den Gewindeteil hindurch führt ein Kanal 152, der mit dem Einlasskanal 51 des Gehäuses 48 in Verbindung steht. Durch diesen Weg wird das das kugelförmige Anschlussstück durchströmende Probengas direkt in den Ionenbildungsbereich eingeführt. Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Möglichkeit des Anschlusses der Verbindungsleitung 21 an die lonenstrahlquelle durch das kugelförmige Verbindungsstück 151, wobei ein Anschlussrohr 153, dessen Zweck noch erläutert wird, auf das kugelförmige Verbindungsstück 151 aufgeschraubt ist. Innerhalb des Rohres 153 befindet sich eine federgespannte Anordnung mit zwei Passstücken 154 und 155. Ein Ende des Passstückes 154 ist gekrümmt und passt sich dem kugelförmigen Verbindungsstück 151 an, und ein Ende des Passstückes 155 ist gekrümmt und passt sich dem abgerundeten Ende eines Glasrohres 21 an. Das andere Ende des Passstückes 155 gleitet in einer Bohrung des Passstückes 154 und die beiden Passstücke werden durch eine Feder 156 auseinandergehalten. Schliesslich sind die Passstücke 154 und 155 in dem Rohr 153 in Kontakt mit dem Kugelpassstück 151 durch zwei Gleitringe 157 und 158 gehalten. Wenn der Gasanreicherer 23 durch Anschluss seiner Glaswände an die Metallwand des Behälters 45 mit der lonenstrahlquelle 18 verbunden wird, passt sich das Ende der Verbindungskupplung 21 in die Ausnehmung des Passstückes 155 ein, so dass die innere Leitung im Rohr 21 mit den Leitungen 157 und 158 in den Passstücken 154 bzw. 155 in Eingriff steht. Auf diese Weise wird ein Gasweg zwischen dem Probengasanreicherer 23 und dem Ionenbildungsbereich R geschaffen. A spherical connecting piece 151 is mounted on the housing 48 with a threaded fastening 150. A channel 152, which is connected to the inlet channel 51 of the housing 48, leads through this connecting piece and the threaded part. In this way, the sample gas flowing through the spherical connecting piece is introduced directly into the ion formation area. FIG. 4 shows a preferred possibility of connecting the connecting line 21 to the ion beam source through the spherical connecting piece 151, a connecting pipe 153, the purpose of which will be explained below, being screwed onto the spherical connecting piece 151. Inside the tube 153 is a spring loaded assembly with two fittings 154 and 155. One end of the fitting 154 is curved and conforms to the spherical connector 151, and one end of the fitting 155 is curved and conforms to the rounded end of a glass tube 21 . The other end of the fitting piece 155 slides in a bore of the fitting piece 154 and the two fitting pieces are held apart by a spring 156. Finally, the fitting pieces 154 and 155 are held in the tube 153 in contact with the ball fitting piece 151 by two sliding rings 157 and 158. When the gas enricher 23 is connected to the ion beam source 18 by connecting its glass walls to the metal wall of the container 45, the end of the connecting coupling 21 fits into the recess of the fitting 155, so that the inner line in the tube 21 with the lines 157 and 158 engages in the fitting pieces 154 and 155, respectively. In this way, a gas path is created between the sample gas enrichment 23 and the ion formation region R.

Wie oben schon erläutert wurde, ist die lonenstrahlquelle so konstruiert, dass sie einen lonenstrahl mit variabler Energie erzeugt. Dies wird erreicht, indem das Potential der lonenstrahlquelle zwischen einem geringen Wert bis auf ein Potential, das oberhalb 12 000 V liegt, variiert wird. Ferner arbeitet die Ionenquelle bei einem Druck von 0,001 Torr. As explained above, the ion beam source is designed to generate a variable energy ion beam. This is achieved by varying the potential of the ion beam source from a small value to a potential that is above 12,000 V. The ion source also operates at a pressure of 0.001 Torr.

Zu den Grundelementen der erfindungsgemässen lonenstrahlquelle gehören also die Abstosselektrode, die ersten und die zweiten Ausrichtelektroden und die Austrittselektrode. Wie schon erwähnt, besteht bei Ionenstrahlquellen, bei denen die Energie des Ionenstrahls über einen breiten Energiebereich veränderbar sein soll, das Grundproblem darin, dass der Ionenstrahl bei einer erheblichen Änderung des Potentials der Ionenquelle defokussiert und evtl. verlorengeht, obwohl es möglich ist, die Elemente der Ionenquelle bei einer vorgegebenen Energie zur Erzeugung eines fokussierten Ionenstrahls bei dieser Energie auszurichten. Es hat sich nun herausgestellt, dass diese Schwierigkeit vermieden werden kann, wenn die Potentiale der Abstosselektrode und der ersten und zweiten Ausrichtelektroden sämtlich in bezug auf die Eintrittselektrode, zusammengebracht werden. Im einzelnen wurde herausgefunden, dass das Potential der ersten Ausrichtelektrode in bezug auf die Eintrittselektrode bei Aufrechterhaltung eines auf den Eintrittsschlitz fokussierten Ionenstrahls über einen weiten Energiebereich variiert werden kann, wenn die Reflektorenelektrode bezogen auf die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gehalten wird, wenn die zweite Ausrichtelektrode auf einem Potential gehalten wird, das negativer ist als das der ersten Ausrichtelektrode, jedoch proportional zu diesem, und wenn die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten positiven Potential gegenüber der Eintrittselektrode gehalten wird. The basic elements of the ion beam source according to the invention therefore include the repulsion electrode, the first and the second alignment electrodes and the exit electrode. As already mentioned, the basic problem with ion beam sources, in which the energy of the ion beam should be changeable over a wide energy range, is that the ion beam defocuses and may be lost if the potential of the ion source changes significantly, although it is possible for the elements align the ion source at a given energy to generate a focused ion beam at that energy. It has now been found that this difficulty can be avoided if the potentials of the repelling electrode and the first and second alignment electrodes are all brought together with respect to the entry electrode. Specifically, it has been found that the potential of the first alignment electrode with respect to the entry electrode can be varied over a wide range of energy while maintaining an ion beam focused on the entry slot if the reflector electrode is kept at a constant potential with respect to the first alignment electrode when the second Alignment electrode is maintained at a potential that is more negative than, but proportional to, the first alignment electrode, and when the first alignment electrode is maintained at a constant positive potential with respect to the entry electrode.

Obwohl diese Elektrodenkonstellation durchaus zufriedenstellend arbeitet, kann sie noch wesentlich verbessert werden, indem man eine fünfte Elektrode, die Extraktionselektrode, zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode anordnet. In dieser Konstellation sind alle Potentiale auf das Potential der Extraktionselektrode bezogen, mit Ausnahme desjenigen der Eintrittselektrode, die normalerweise auf Erdpotential gehalten wird. Die Reflektorelektrode wird auf einem konstanten Potential gegenüber der ersten Ausrichtelektrode gehalten und die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gegenüber der Extraktionselektrode. Die zweite Ausrichtelektrode wird dann auf einem Potential gehalten, das positiver ist als dasjenige der Extraktionselektrode, jedoch proportional zu diesem, und die erste Ausrichtelektrode wird auf einem gegenüber der Eintrittselektrode positivem Potential gehalten. Verändert wird dabei das Potential der Extraktionselektrode, um die Energie des Ionenstrahls zu variieren. Although this electrode constellation works quite satisfactorily, it can still be significantly improved by arranging a fifth electrode, the extraction electrode, between the first and the second alignment electrode. In this constellation, all potentials are related to the potential of the extraction electrode, with the exception of that of the entry electrode, which is normally kept at ground potential. The reflector electrode is kept at a constant potential with respect to the first alignment electrode and the first alignment electrode at a constant potential with respect to the extraction electrode. The second alignment electrode is then kept at a potential which is more positive than, but proportional to, that of the extraction electrode, and the first alignment electrode is kept at a potential which is positive with respect to the entry electrode. The potential of the extraction electrode is changed in order to vary the energy of the ion beam.

Gemäss Fig. 5 sind die Potentiale der verschiedenen Elektroden in dem Gehäuse so gewählt, dass sie von der Austrittselektrode zur Abstosselektrode zunehmend positiver werden. Die Abstosselektrode kann theoretisch ein Potential haben, das positiver ist als dasjenige des Gehäuses. Bei dieser Konfiguration würde eine Äquipotentiallinie entsprechend dem Gehäusepotential zwischen der Abstosselektrode und der ersten Ausrichtelektrode im Ionenbildungsbereich verlaufen. Man kann erwarten, dass dieses Äquipotential eine ideale Position für den Elektronenstrahl ist. Obwohl diese Konfiguration funktioniert, hat sich herausgestellt, dass das Elektrodensystem noch besser arbeitet, wenn die Abstosselektrode auf negativem Potential, bezogen auf das Gehäuse, gehalten wird. 5, the potentials of the various electrodes in the housing are selected such that they become increasingly positive from the exit electrode to the repulsion electrode. The repulsion electrode can theoretically have a potential that is more positive than that of the housing. With this configuration, an equipotential line would correspond to the housing potential between the repulsion electrode and the first alignment electrode in the ion formation region. This equipotential can be expected to be an ideal position for the electron beam. Although this configuration works, it has been found that the electrode system works even better if the repelling electrode is kept at negative potential with respect to the housing.

Wenn der Extraktionselektrode ein Potential V mitgeteilt wird, dann werden die übrigen Elektroden, unter der Voraussetzung, dass die Eintrittselektrode geerdet ist, die in Fig. 5 eingezeichneten Potentiale haben; z. B. KiV, K2V, V+A, V-t-B, V+C und V+D. Wie oben erwähnt, wird das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Austrittselektrode verändert. Die Absolutwerte der in der lonenstrahlquelle verwendeten Potentialwerte variieren natürlich mit den Abmessungen der lonenstrahlquelle. Wenn für die in den Fig. 5 und 7 abgebildete lonenstrahlquelle das Potential V zwischen 540 und 12 000 V variiert wird, so werden die Platten der zweiten Ausrichtelektroden auf einem Potential gehalten, das dem Potential der Extraktionselektrode proportional ist. Die Proportionalitätskonstanten Ki und K2 liegen im Bereich zwischen etwa 0,8 und 0,95, wobei ein Wert von etwa 0,85 normal ist. Das Gehäuse wird auf einem Potential A gegenüber der Extraktionselektrode gehalten, wobei der Wert von A im Bereich von 0 bis etwa 90 V, namentlich bei 50 V liegt. Das Potential des Reflektors wird auf einem konstanten Wert B in bezug auf die Extraktionselektrode gehalten. B liegt im Bereich von etwa —50 bis etwa 140 V, kann jedoch besser unter Bezugnahme auf die Konstante A ausgedrückt werden. B liegt dabei im Bereich von (A-50) bis (A+50) V, namentlich bei 45 V. Die Platten der zweiten Ausrichtelektrode werden auf im wesentlichen gleichem Potential gehalten. Die Konstanten C und B liegen im Bereich zwischen —50 und 90 V. Unter Verwendung der Konstanten A ausgedrückt liegen diese Konstanten im Bereich von A bis (A-50) V, namentlich bei etwa 35 V. Diese Werte sind in Tabelle II eingetragen. If a potential V is communicated to the extraction electrode, then the remaining electrodes, provided that the entry electrode is grounded, have the potentials shown in FIG. 5; e.g. B. KiV, K2V, V + A, V-t-B, V + C and V + D. As mentioned above, the potential of the extraction electrode is changed compared to the exit electrode. The absolute values of the potential values used in the ion beam source naturally vary with the dimensions of the ion beam source. When the potential V is varied between 540 and 12,000 V for the ion beam source shown in FIGS. 5 and 7, the plates of the second alignment electrodes are kept at a potential which is proportional to the potential of the extraction electrode. The proportionality constants Ki and K2 are in the range between approximately 0.8 and 0.95, with a value of approximately 0.85 being normal. The housing is kept at a potential A with respect to the extraction electrode, the value of A being in the range from 0 to about 90 V, namely 50 V. The potential of the reflector is kept at a constant value B with respect to the extraction electrode. B is in the range of about -50 to about 140 V, but can be better expressed with reference to the constant A. B lies in the range from (A-50) to (A + 50) V, specifically at 45 V. The plates of the second alignment electrode are kept at essentially the same potential. The constants C and B are in the range between -50 and 90 V. Expressed using the constants A, these constants are in the range from A to (A-50) V, namely around 35 V. These values are entered in Table II.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

■65 ■ 65

615 532 615 532

6 6

Tabelle II Table II

Konstante constant

Beieich Beieich

Bezeichnung zu A Designation for A

nominell nominally

A A

0-90 0-90

50 50

B B

(-50)-140 (-50) -140

(A-50MA+50) (A-50MA + 50)

45 45

C, D C, D

. (—50)-90 . (-50) -90

A-(A—50) A- (A-50)

35 35

K1.K2 K1.K2

0,80-0,95 0.80-0.95

0,85 0.85

Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl 73 auf die in den Ionenbildungsbereich R eingeführten Gasmoleküle, wodurch Ionen gebildet werden. Das Potential der Extraktionselektrode zieht diese Ionen aus dem Ionenbildungsbereich heraus und fokussiert sie auf einem Punkt zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode in dem Bereich, der generell als Extraktionsschlitz berechnet wird. Der Ionenstrahl wird dann an dem Austrittsschlitz refokussiert. Die erste und die zweite Ausrichtelektrode werden Ausrichtselektroden genannt, weil sie zur Ausrichtung des Ionenstrahls benutzt werden können. Beide Ausrichtelektroden bestehen aus zwei separaten Platten mit getrennt einstellbaren Potentialen. Die erste Ausrichtelek-tróde hat einen ausgeprägteren Fokussierungseffekt im Niedrigenergiebereich des Ionenstrahls. Die zweite Ausrichtelek-trode übt dagegen eine stärkere Fokussierungswirkung auf die Hochenergieionen des Strahls aus. Wenn V das untere Ende des Potentialbereichs darstellt, können die Relativpotentiale 5 der beiden Platten, die die erste Ausrichtelektrode bilden, verändert werden, um den Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren, und wenn V das obere Ende des Energiebereichs darstellt, können die Relativpotentiale der beiden die zweite Ausrichtelektrode bildenden Platten verändert werden, um den io Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren. Auf diese Weise kann die lonenstrahlquelle «abgestimmt» werden, so dass der lonenstrahl auch bei Veränderung der Strahlenergie auf den Eintrittsschlitz fokussiert bleibt. In operation, the electron beam 73 strikes the gas molecules introduced into the ion formation region R, whereby ions are formed. The potential of the extraction electrode pulls these ions out of the ion formation area and focuses them on a point between the first and second alignment electrodes in the area that is generally calculated as the extraction slot. The ion beam is then refocused at the exit slit. The first and second alignment electrodes are called alignment electrodes because they can be used to align the ion beam. Both alignment electrodes consist of two separate plates with separately adjustable potentials. The first alignment electrode has a more pronounced focusing effect in the low energy range of the ion beam. The second alignment electrode, on the other hand, has a stronger focusing effect on the high-energy ions of the beam. If V represents the lower end of the potential range, the relative potentials 5 of the two plates that form the first alignment electrode can be changed to focus the ion beam onto the entrance slit, and if V represents the upper end of the energy range, the relative potentials of the two plates forming the second alignment electrode can be changed to focus the ion beam on the entrance slit. In this way, the ion beam source can be “tuned” so that the ion beam remains focused on the entry slit even when the beam energy changes.

Die Energie des von der lonenstrahlquelle ausgehenden i5 Ionenstrahls kann entweder kontinuierlich variiert werden, indem das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Eintrittselektrode variiert wird, oder diskret, indem die Energie der Extraktionselektrode in bezug auf die Eintrittselektrode inkrementell verändert wird. Die diskrete Veränderung der 20 Energie des Ionenstrahls bietet einige Vorteile hinsichtlich der Vereinfachung der Steuerung des Gerätes und der Möglichkeit der Digitalisierung des Betriebes. The energy of the i5 ion beam emanating from the ion beam source can either be varied continuously by varying the potential of the extraction electrode with respect to the entry electrode, or discretely by incrementally changing the energy of the extraction electrode with respect to the entry electrode. The discrete change in the energy of the ion beam offers several advantages in terms of simplifying the control of the device and the possibility of digitizing the operation.

(} (}

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

615532

2nd

PATENT CLAIMS

1. ion beam source for generating an ion beam of variable energy, characterized by a repulsion electrode (50), a first alignment electrode (52, 53) having a directional slot (51) to generate low-energy ions, a gas inlet (151) for insertion of gas, a device for generating an electron beam, a second alignment electrode consisting of two plates (59, 60) with a second alignment slot (56) to generate high energy ions, means for placing the repulsion electrode (50) on one opposite the first Alignment electrode (52,53) to keep constant potential, means to keep the second alignment electrode (59,60) at a potential which is more negative than the potential of the first alignment electrode (52,53) and proportional to a change in the potential of the first alignment electrode also changes, and means for maintaining the first alignment electrode (52, 53) at a potential which is positive with respect to an exit electrode (57) and this Po tential change proportional to the potential of the outlet electrode (57).

2. Ion beam source according to claim 1, characterized in that it also has an extraction slot (55) having an extraction electrode (54), which is located between the first (52, 53) and second alignment electrode (59, 60), means for the repelling electrode (50) and the first alignment electrode (52, 53) at a constant positive potential with respect to the extraction electrode (54), and means to keep the second alignment electrode (59, 60) at a potential which is more negative than the potential of the Extraction electrode (54) has.

3. Ion beam source according to claim 2, characterized in that it comprises a housing (48) with a cavity (49) in which the repelling electrode (50) and the first alignment electrode (52, 53) are arranged, and means for placing the housing on to maintain a constant positive potential with respect to the first alignment electrode (52, 53).

4. Ion beam source according to claim 3, characterized in that it also has a magnet, the poles (80, 81) of which are arranged on the housing (48) in such a way that a magnetic field is formed, the field lines of which run parallel to the longitudinal axis of the electron beam (73) .

5. Ion beam source according to claim 4, characterized in that each pole (80, 81) of the magnet has a funnel-shaped, grounded shield (82, 83) in order to dissipate captured charges which surround the poles (80, 81) of the magnet.